活性炭负载β-FeOOH对饮用水中溴酸盐的去除及机制研究

发布时间：2020-08-12 06:47

【摘要】：目前,臭氧消毒技术已广泛应用于饮用水处理工业中,臭氧在处理含有溴离子的水质时会产生消毒副产物溴酸盐(BrO_3~-),溴酸盐是一种潜在致癌物质,在许多国家饮用水中最高允许浓度为10μg/L(0.078μmol/L)。在水处理工艺单元中,活性炭对溴酸盐有一定的吸附还原能力,但是存在效率低、使用周期短等缺点。β-FeOOH对溴酸盐有着良好的吸附能力,但其结构松散易水解。故本研究提出将β-FeOOH负载在活性炭表面制备成复合吸附剂,既可以改变活性炭表面理化性质,又能够改善β-FeOOH易水解问题,同时也可以显著提高两者对溴酸盐的吸附能力。首先,采用三氯化铁(FeCl_3)溶液高温浸润活性炭方式制备复合吸附剂(FAC),并以溴酸盐去除率作为衡量指标,通过响应曲面法对FAC制备过程中涉及的各个因素及水平进行优化,得出FAC最佳制备参数,即FeCl_3浓度为0.3 mol/L,浸润时间为15 h,浸润温度为135℃,在此优化条件下溴酸盐的去除率为58.12%。然后,采用场发射扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、N_2吸附仪及Zeta电位仪等表征方法,对FAC表面理化性质及孔结构进行分析。结果表明,活性炭经FeCl_3溶液高温浸润处理后,比表面积及孔容减小,平均孔径与表面Zeta电位显著增大,同时表面还负载了大量的β-FeOOH。经测定活性炭表面铁负载量为82.30 mgFe/g,在溶液中脱解率不超过5%,说明FAC物理化学性质较稳定,表面负载的β-FeOOH不易脱落,不易水解。其次,采用静态吸附实验方法研究FAC对溴酸盐的去除效果,考察了溶液初始浓度、pH值、溶液温度和有机物等因素对去除效果的影响,同时对FAC进行重复再生研究。实验结果表明:同等实验条件下,活性炭、β-FeOOH和FAC对溴酸盐的吸附能力大小顺序为FACβ-FeOOH活性炭;在一定范围内,FAC对溴酸盐的吸附量随着溶液初始浓度的升高和吸附时间的延长而增加;在pH值为3~7时,FAC对溴酸盐的去除率高达99.33%,而且在pH值为4~11时,吸附达到平衡时溶液中铁元素含量小于0.3mg/L,符合国家饮用水规定,间接表明FAC物理化学稳定性高;FAC重复使用3次后,对BrO_3~-的去除率仍能保持在50%以上,而且对吸附饱和的FAC样品进行FeCl_3溶液高温浸润重复再生实验,发现FAC-1、FAC-2、FAC-3对溴酸盐的去除率分别为92.34%,83.28%,72.67%,溴酸盐去除效果仍显著,表明FAC的循环使用及再生能力强。再次,对FAC吸附溴酸盐的动力学、等温吸附平衡规律和热力学等进行研究,分析BrO_3~-在FAC上的吸附特性。具体结论如下:伪二级动力学模型可以很好地描述不同初始浓度下BrO_3~-在FAC上的吸附动力学过程。FAC去除BrO_3~-的过程中存在着颗粒内扩散和液膜扩散,而且液膜扩散是主要限速步骤。Langmuir和Redlich-peterson模型均能够很好地拟合不同温度下BrO_3~-在FAC上的吸附平衡数据。热力学参数表明FAC去除BrO_3~-的过程是能够自发进行的吸热反应。吸附过程的活化能值为23.64 kJ/mol,表明活性炭表面负载的β-FeOOH对BrO_3~-产生的离子交换作用在整个BrO_3~-去除过程中发挥着重要作用。最后,结合吸附产物对FAC吸附溴酸盐的机理进行了初步探究,发现FAC去除BrO_3~-的过程中涉及了静电吸引、离子交换和还原反应。溶液中BrO_3~-先被吸附到FAC表面,待局部BrO_3~-浓度升高后,吸附在活性位点上的80%BrO_3~-发生还原反应生成Br~-,溶液中Fe~(3+)/Fe~(2+)的存在加速和提高了活性炭对BrO_3~-的还原速率和还原率。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU991.25
【图文】：

图 2-6 不同因素交互的响应图和等高线Fig.2-6 Response diagrams and contour lines of interaction for different factors

图 2-6 不同因素交互的响应图和等高线Fig.2-6 Response diagrams and contour lines of interaction for different factor

这一现象可能会导致 FAC 吸附位点减少，从而造成 FAC 去除溴酸盐的能力下降。2.4.2.1 节中 FAC 对溴酸盐的去除率随着 FeCl3溶液浓度的升高先增强后下降，这一实验结果验证了上述的猜测。（a）β-FeOOH （b）活性炭

【参考文献】

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本文编号：2790197